影響水利工程邊坡穩(wěn)定的因素及處理措施

辛華偉

(安丘市水利局河道養(yǎng)護(hù)中心 山東濰坊 262100)

保持邊坡穩(wěn)定是水利工程安全運(yùn)行的關(guān)鍵，而邊坡失穩(wěn)也是在水利工程建設(shè)與維護(hù)階段需要重點(diǎn)考慮的問題。邊坡失穩(wěn)會給水利工程帶來許多的危害，導(dǎo)致工程建設(shè)成本與維護(hù)成本上升，引發(fā)一系列的安全問題。一般邊坡失穩(wěn)都是因巖體或者土體受到破壞引起，比如：地質(zhì)條件發(fā)生改變、地震擾動、工程施工、雨水的侵蝕等都會造成邊坡失穩(wěn)。因此，技術(shù)人員必須研究導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的相關(guān)因素，并對主要因素進(jìn)行有效識別，為制定科學(xué)的加固措施提供數(shù)據(jù)支撐。

1 影響水利工程邊坡穩(wěn)定性的主要因素

1.1 邊坡巖體的力學(xué)性質(zhì)

巖石的組分、結(jié)構(gòu)特征都不相同，因此物理性能也不相同，能夠反映巖石物理性能的指標(biāo)主要的密度、孔隙率、水理等，而巖石的力學(xué)性質(zhì)會受到這些指標(biāo)的影響[1]。通常粘土成分含量高、吸水率高的巖體容易被軟化，或者巖體內(nèi)含有泥質(zhì)充填物質(zhì)，這些類型的巖體強(qiáng)度都比較低，在外因或自身重力的作用下會出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)。

1.2 邊坡自身的因素

邊坡的穩(wěn)定性在很大程度上受自身因素的影響，一是邊坡的高度，通常邊坡越高其穩(wěn)定性就越差；二是邊坡的坡度，邊坡越陡其穩(wěn)定性就越差；三是植被的影響，通常在邊坡工程施工完成后會對坡面進(jìn)行綠化，既是生態(tài)環(huán)境要求，也是為了對邊坡起到防護(hù)的作用，但如果植被遭到破壞或者植物根系生長到坡面的縫隙中會加速縫隙的發(fā)育，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)；四是其他部位出現(xiàn)邊坡問題時會產(chǎn)生鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)情況加劇[2]。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造的影響

水利工程建設(shè)在野外，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，如果水利工程邊坡巖層構(gòu)造存在裂隙發(fā)育或者軟弱土層等情況時，邊坡的穩(wěn)定性就會受到影響，比如處在斷層帶上、裂隙發(fā)育區(qū)，容易出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)，一般在水利工程建設(shè)中將其確定為危險區(qū)域；巖層傾角也是重要影響因素，如果巖層傾角處于25°～55°時一般穩(wěn)定性就差[3]。

1.4 水流作用的影響

水利工程中接觸最多的就是水，邊坡工程往往長期處在水流的作用下，久而久之就是引起邊坡失穩(wěn)。一是水體會對邊坡起到潤滑、軟化的作用，吸水性好的巖體長期受到水體的浸潤會強(qiáng)度降低，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)；二是邊坡長期浸泡在水體中會產(chǎn)生化學(xué)破壞，水體的溶蝕作用會侵蝕巖體下部的支撐部位，導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)；三是水流的長期沖刷使邊坡巖體遭到破壞，邊坡的坡度變陡，通常在河道的轉(zhuǎn)彎處易出現(xiàn)；四是邊坡截水設(shè)施失效，導(dǎo)致大量雨水滲漏進(jìn)入坡體內(nèi)部，長時間作用下會形成管涌，導(dǎo)致坡體發(fā)展塌陷[4]。

1.5 其他外界因素

外因?qū)τ谶吰率Х€(wěn)會起到促進(jìn)作用，會引起邊坡內(nèi)部應(yīng)力的變化，而出現(xiàn)坡體結(jié)構(gòu)面變形開裂。地震是導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)的重要因素，地震時橫波會引起坡體水平晃動，縱波會導(dǎo)致坡體上下晃動，對坡體內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成嚴(yán)重破壞，從而引起滑坡或崩塌；如果邊坡長期處于荷載作用下，巖土的屈服面會不斷發(fā)展，坡體內(nèi)應(yīng)力發(fā)生變化，容易出現(xiàn)裂隙、沉降等問題；水利工程邊坡長期裸露在自然環(huán)境中，長期受到風(fēng)力的作用，會導(dǎo)致巖體開裂，結(jié)構(gòu)遭到破壞，且隨著時間變長而加深；人們在工程建設(shè)中開挖、爆破等行為也是引起邊坡失穩(wěn)的重要因素。

2 影響水利工程邊坡穩(wěn)定性的主因素判定

由于引起水利工程邊坡失穩(wěn)的因素較多，關(guān)系錯綜復(fù)雜，想要對邊坡的穩(wěn)定性做出科學(xué)、準(zhǔn)確的評價，需要先對每一個因素進(jìn)行分析，再確定其中的主要因素，并分析多種因素之間存在的關(guān)聯(lián)性。

2.1 工程類比法

這是一種常用方法，搜集整理水利工程邊坡的相關(guān)資料、勘查報(bào)告等，綜合分析邊坡的歷史穩(wěn)定性變化情況與當(dāng)前的基本條件，選擇與此邊坡情況類似的且已經(jīng)研究過的工程進(jìn)行對比分析，從而確定引起邊坡失穩(wěn)的主要因素。在實(shí)際中這種方法的具有較高的可操作性，應(yīng)用也最為廣泛。

2.2 可靠性分析法

可靠性理論是為了確定邊坡的可靠性而使用的，對水利邊坡工程進(jìn)行現(xiàn)場勘查取樣，按照要求選取多個不穩(wěn)定因素樣本，通過分析計(jì)算得出這些因素特征參數(shù)以及引起邊坡失穩(wěn)的概率分布，確定邊坡對某個因素的敏感性。使用可靠性分析法需要按照影響因素收集大量數(shù)據(jù)資料，并使用相應(yīng)的分析方法對這些數(shù)據(jù)資料建立計(jì)算模型，然后確定其中敏感度最高的因素。常用的數(shù)據(jù)分析方法有極大似然估計(jì)法、可靠性指標(biāo)法、統(tǒng)計(jì)矩法以及隨機(jī)有限元法等。

2.3 定性分析法

對水利工程邊坡各種數(shù)據(jù)進(jìn)行搜集，包括邊坡的坡形、坡度、尺寸，還有邊坡的地質(zhì)結(jié)構(gòu)、水文條件，以及地質(zhì)構(gòu)造的演變等，對所有能夠影響邊坡穩(wěn)定性的因素進(jìn)行研究，從而對邊坡的演變過程做出判斷，確定當(dāng)前邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)。

2.4 極限平衡分析法

在水利工程邊坡穩(wěn)定性分析中常用到極限平衡分析法，其核心是確定邊坡的安全系數(shù)，計(jì)算方法比較簡便，通過計(jì)算可以定量地得出邊坡安全系統(tǒng)的數(shù)值[5]。按照極限平衡理論，將可能發(fā)生滑動的坡體劃分成多個條狀塊體，并假定為剛性，假定滑面已經(jīng)處于極限平衡狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度也達(dá)到平衡，其安全系數(shù)的計(jì)算公式為

式中，當(dāng)Fs=1 時達(dá)到臨界值，也就是達(dá)到了極限狀態(tài)。

2.5 層次分析法

該方法是將定性分析與定量分析結(jié)合在一起，對水利工程坡體進(jìn)行系統(tǒng)的、層次化的分析，其優(yōu)勢在于能夠在復(fù)雜的問題中直達(dá)問題的本質(zhì)，對影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素之間存在的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行深入的分析，然后通過較少的定量信息判定各要素的權(quán)重，從復(fù)雜的問題中找出簡便的解決問題的方法，最終確定影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素。

3 水利工程邊坡失穩(wěn)加固措施

3.1 混凝土抗滑樁加固技術(shù)

針對失穩(wěn)邊坡，混凝土抗滑樁是一種比較有效的加固技術(shù)。抗滑樁應(yīng)穿過失穩(wěn)坡體深入滑床內(nèi)部的穩(wěn)定層，從而起到加固邊坡的作用，具體如圖1所示?？够瑯犊刹捎萌斯ら_挖的方式施工，需要注意的是不能通槽施工，相鄰樁之間要間隔跳挖，嚴(yán)格按照施工順序施工。結(jié)合失穩(wěn)邊坡的實(shí)際情況確定抗滑樁的排布方式為單排或者是多排。按圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求進(jìn)行測量定位，確定樁軸線與樁位，標(biāo)注每個樁的坐標(biāo)位置。施工過程中遇到地下水需要及時排水，根據(jù)地下水量選擇合適的排水方法[6]?？够瑯兜膽?yīng)用優(yōu)勢是加固效果好、施工工期短，施工過程中不需要使用到大型設(shè)備，土方的挖出量也較少。

圖1 錨索抗滑樁

3.2 沉井加固技術(shù)

沉井的結(jié)構(gòu)主要由套井、井壁和刃角這3 個部分組成，其應(yīng)用原理與抗滑樁類似，但施工方法相對復(fù)雜一些。沉井加固施工的主要步驟是沉井下沉、混凝土沉井封底，施工前先對現(xiàn)場進(jìn)行清理、平整、夯實(shí)，熟悉相關(guān)資料，然后按照圖紙標(biāo)注的位置進(jìn)行沉井施工，并做好安全防護(hù)[7]，具體如圖2 所示。下沉速度要均勻，避免出現(xiàn)偏斜，減少對外壁的摩擦，防止下沉過程中因摩擦力過大引起沉井懸掛問題。與抗滑樁相比，沉井加固法的效果更加可靠，但是施工過程對技術(shù)與設(shè)備使用的要求也更高，工藝更復(fù)雜，對施工隊(duì)伍專業(yè)素質(zhì)與技術(shù)水平的要求也更高，往往在樁基礎(chǔ)施工不方便的區(qū)域更適合沉井加固技術(shù)。

圖2 深井施工圖紙

3.3 噴射混凝土加固技術(shù)

噴射混凝土加固技術(shù)是借助混凝土噴射機(jī)進(jìn)行施工，利用高壓將混凝土干拌合料輸送到噴頭處，在水環(huán)處加水后高速噴射到需要加固的坡體。該加固技術(shù)的優(yōu)勢在于工藝簡單、施工效率高、質(zhì)量可靠、成本低。噴射混凝土所使用的原材料與普通混凝土的材料相同，只是在施工工藝上進(jìn)行了改進(jìn)，但施工效果更好。施工過程中省去了傳統(tǒng)混凝土施工中很多環(huán)節(jié)，采用機(jī)械化施工的方式，利用高壓產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊速度噴射完成，如果是作為臨時支撐使用，施工完成后的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于木質(zhì)結(jié)構(gòu)，而經(jīng)濟(jì)性方面要優(yōu)于鋼混結(jié)構(gòu)，如果是作為永久性的支撐使用，其早期強(qiáng)度遠(yuǎn)超現(xiàn)澆混凝土。在水利工程坡體加固中可與其他加固技術(shù)配合使用，比如：與錨固技術(shù)相結(jié)合，既可以充分發(fā)揮錨固效果，以可以發(fā)揮噴射混凝土的效果，使坡體加固的效能得到大幅提升。如果再配合金屬網(wǎng)使用，就會達(dá)到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的效果，有效增強(qiáng)坡體的穩(wěn)定性。

3.4 邊坡疏排水防護(hù)技術(shù)

基于水利工程邊坡長期受到地表水的作用，極易造成坡體的滑動，因此在建設(shè)時應(yīng)采用合理的疏排水方案，控制水流，對邊坡起到加固防護(hù)的作用[8]。一是設(shè)置排水溝，排水溝的形狀一般是矩形、梯形、U形，為保證排水溝起到防沖和防淤效果，可以通過改變排水溝的方向來調(diào)節(jié)水流的速度。二是設(shè)置截水溝，適合地表徑流較大的情況，通過截水溝的攔截將地表水導(dǎo)入自然溝渠或水道內(nèi)，避免水流過大、過急對邊坡造成破壞，截水溝的設(shè)置應(yīng)結(jié)合邊坡的地形與地質(zhì)條件。三是解決地下排水，可以設(shè)置排水洞、滲溝、盲溝、排水孔等，對地下水形成有效攔截與疏導(dǎo)。如果坡體滑動趨勢較明顯，應(yīng)選擇滑坡周邊外部設(shè)置截水溝。采用疏排水的方法是為了控制邊坡滑體范圍內(nèi)的地表水流，減少地表水對坡體的沖刷，增強(qiáng)坡體的抗滑力。如果坡體存在裂隙，應(yīng)進(jìn)行有效封堵，針對坡體中低洼存水區(qū)域做填平處理，針對積水嚴(yán)重區(qū)域應(yīng)設(shè)置排水溝。

4 結(jié)語

綜上所述，邊坡的穩(wěn)定性在水利工程建設(shè)中非常重要，但是由于邊坡長期受到各種因素的影響，經(jīng)常發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，這就需要水利工程建設(shè)部門認(rèn)真分析引起邊坡失穩(wěn)的各種因素，并采取有針對性的加固措施，提高邊坡的穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)邊坡滑坡、崩塌的問題。該文先對影響水利工程邊坡穩(wěn)定性的幾個重要因素進(jìn)行分析，提出主因素的判定方法，最后對目前常用的混凝土抗滑樁加固技術(shù)、沉井加固技術(shù)、噴射混凝土加固技術(shù)以及邊坡疏排水防護(hù)技術(shù)進(jìn)行綜述，實(shí)踐證明，這些加固技術(shù)都可以有效增加水利工程邊坡的穩(wěn)定性。